考虑碳减排激励的港口多能源优化调度系统及其控制方法

本发明涉及能源系统优化调度，尤其是涉及考虑碳减排激励的港口多能源优化调度系统及其控制方法。

背景技术：

1、港口作为全球物流链的核心节点，能源消耗密集且种类多样。港区大量部署分布式光伏、分散式风电，岸电设施大规模建设以替代船舶辅机燃油发电，电制氢、氢气压缩机及储氢罐等氢能系统逐步落地，同时冷热电联产机组、储能电站等设备不断接入。港口正从单一的电力负荷节点演变为集电、热、冷、氢、气等多种能源形式深度耦合的综合能源系统。

2、目前，针对港口综合能源系统的优化调度，已有部分技术方案公开。例如，青岛港有关“电氢耦合综合能源多时间尺度调度方法”的专利方案，其通过构建电氢耦合子系统模型，实现了电力和氢能两种能源形式的协同调度。又如，部分现有技术提出了基于多目标优化的港口综合能源系统调度方法，通过设置多个优化目标并采用动态权值系数进行求解。此外，还有方案公开了考虑碳交易机制的多能源多时间尺度优化调度方法，将碳排放成本纳入优化目标函数。

3、然而，上述现有技术仍存在以下不足：

4、第一，现有方案中的碳交易机制通常将碳排放仅作为惩罚性成本项纳入目标函数，即排放越多、成本越高。这种“单向惩罚”模式虽能在一定程度上抑制高碳排放，但未能充分体现减排行为的正向激励作用。如何将碳交易收益和大气污染物排放税减免同时转化为对系统运行的激励信号，现有技术缺乏有效的建模手段。

5、第二，港口综合能源系统涉及电、热、冷、氢、气五种能源形式，各能源之间通过冷热电联产、电解制氢、燃气锅炉、电制冷机等设备实现深度耦合，其优化调度需同时满足多种能量平衡约束和设备运行特性约束。现有技术大多仅关注电-热耦合或电-氢耦合，对于涵盖五类能源形式的完整耦合体系及其协调调度方法，尚未提出成熟的解决方案。

6、第三，港口综合能源系统中蓄电池和储氢罐等储能设备存在充放互斥的非线性特征，即同一时段内不能同时进行充电/充氢和放电/放氢。现有技术在处理该非线性约束时，多采用启发式算法或简化处理方式，难以保证求解的全局最优性和计算效率。如何在精确描述储能设备物理特性的前提下，将该非线性问题转化为可高效求解的数学形式，仍是本领域的技术难题。

7、第四，港口用能场景中，氢气压缩机用水、电解槽用水等辅助资源消耗对系统运行成本存在实际影响，现有技术大多忽略了对购水成本以及氢气运输成本的精细化建模，导致优化调度结果与实际运行存在偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑碳减排激励的港口多能源优化调度系统及其控制方法，实现港口综合能源系统的统一调度优化，在满足多能源负荷需求的前提下有效降低系统运行成本与碳排放，克服现有技术中碳交易机制仅作为惩罚性成本、能源耦合形式不完整以及储能非线性约束处理精度不足的缺陷。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种考虑碳减排激励的港口多能源优化调度系统，包括：能源供应侧、能源转换侧、能源存储侧和优化调度模块，其中：

3、能源供应侧用于向系统提供电能、天然气和水；

4、能源转换侧包括冷热电联产机组、燃气锅炉、电制冷机、电解槽和氢气压缩机，用于实现电、热、冷、氢、气多种能源形式的耦合转换；

5、能源存储侧包括蓄电池和储氢罐；

6、优化调度模块用于获取港口各时段的电、热、冷、氢负荷数据及风电、光伏的出力预测数据，以调度周期内总运行成本最小化为目标函数构建优化调度模型，总运行成本包含能源购买成本、购水成本、设备运维成本、储能老化成本、氢气运输成本、环境成本，并减去由碳交易收益和大气污染物排放税减免构成的减排补贴项；

7、优化调度模型包含蓄电池和储氢罐的充放互斥约束，优化调度模块对充放互斥约束进行线性化处理后求解，得到各设备的最优出力计划并进行调度控制。

8、第二方面，本发明还提供了一种考虑碳减排激励的港口多能源优化调度控制方法，包括以下步骤：

9、s1、获取港口各时段的电力负荷、热负荷、冷负荷和氢能负荷数据，以及风电、光伏的出力预测数据；

10、s2、构建以调度周期内总运行成本最小化为目标的目标函数，总运行成本包含能源购买成本、购水成本、设备运维成本、储能老化成本、氢气运输成本、环境成本，并减去由碳交易收益和大气污染物排放税减免构成的减排补贴项；

11、s3、构建港口综合能源系统的约束条件，至少包括电功率平衡约束、热功率平衡约束、冷功率平衡约束、氢能平衡约束、天然气平衡约束、各设备出力上下限约束，以及蓄电池和储氢罐的充放互斥约束，形成优化调度模型；

12、s4、对充放互斥约束，引入二进制变量并采用big-m法进行线性化处理，将优化调度模型转化为混合整数线性规划模型；

13、s5、利用混合整数线性规划求解器求解混合整数线性规划模型，得到各能源设备在各时段的最优出力计划，并依据最优出力计划进行调度控制。

14、因此，本发明采用上述一种考虑碳减排激励的港口多能源优化调度系统及其控制方法，具备以下有益效果：

15、（1）建立了涵盖电、热、冷、氢、气五种能源形式的综合能源协同优化调度模型，综合考虑了冷热电联产机组、燃气锅炉、电制冷机、电解槽、氢气压缩机、蓄电池和储氢罐等设备的运行特性与多能耦合关系，实现了港口综合能源系统中各设备的统一调度优化。该模型通过电功率平衡约束、热功率平衡约束、冷功率平衡约束、氢能平衡约束和天然气平衡约束的协同作用，充分挖掘了各能源形式之间的互补潜力，克服了现有技术中仅考虑单一或少数几种能源耦合的局限性；

16、（2）在目标函数中引入减排补贴项，该减排补贴项由碳交易收益和大气污染物排放税减免两部分构成，将减排行为转化为对系统总运行成本的正向激励。相比于现有技术中仅将碳排放作为惩罚性成本的“单向惩罚”模式，本发明通过“奖励减排”而非“惩罚排碳”的方式，为港口多能源系统的低碳运行提供了更有效的经济驱动力；

17、（3）针对蓄电池和储氢罐的充放互斥非线性约束，引入二进制变量并采用big-m方法进行线性化处理，将原始非线性优化问题转化为混合整数线性规划模型，利用成熟求解器实现高效求解。该处理方式既保证了储能设备物理特性的精确描述，又避免了启发式算法或简化处理带来的求解精度损失，确保了调度方案的全局最优性。同时，本发明对储能模型的等价化简处理，使得储能物理模型与线性化约束之间衔接清晰、逻辑自洽；

18、（4）经某集装箱港口24小时调度验证，采用本发明所提的考虑减排补贴的优化调度方案后，相较于不考虑减排激励的独立优化调度，系统总运行成本降低了0.37万元，碳排放量减少了0.95吨。同时，调度结果呈现冷热电联产机组发电量下降19.1%、电制冷机用电量增加41.1%的能源结构优化趋势，表明减排补贴机制能够有效引导港口综合能源系统向低碳方向运行，验证了本发明在降低运行成本与减少碳排放方面的双重促进作用。

19、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。